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在阳光照射的世界里，光合作用提供维持生命的氧气。在地下深处，生命找到了另一种产生氧气的方式。 科学家们逐渐认识到，在我们脚下的土壤和岩石中存在着一个巨大的生物圈，其全球体积几乎是世界海洋总量的两倍。 人们对这些地下生物知之甚少，它们代表了地球上大部分微生物群，其多样性可能超过了地表生命形式。 它们的存在伴随着一个巨大的谜团：研究人员经常假设，许多地下领域都是缺氧的死亡区，只居住着原始微生物，它们的代谢缓慢，靠微量营养物质勉强度日。 人们认为，随着这些资源的枯竭，地下环境在更深的地方必定会变得毫无生气。  在上个月发表Nature Communications在上的新研究中，研究人员提出了挑战这些假设的证据。 在加拿大艾伯塔省化石燃料田下方 200 米的地下水库中，他们发现了丰富的微生物，即使在没有光的情况下也能产生出乎意料的大量氧气。 美国🇺🇸田纳西大学地下微生物学家Karen Lloyd表示，这些微生物产生并释放了大量研究人员所说的“暗氧”，就像发现了“亚马逊雨林光合作用产生的氧气规模”。 从细胞中扩散出来的气体数量如此之大，以至于它似乎为周围地下水和地层中依赖氧气的生命创造了有利的条件。 对此，未参与这项工作的加拿大🇨🇦多伦多大学地球化学家Barbara Sherwood Lollar表示：“这是一项具有里程碑意义的研究，过去的研究经常关注能够产生氢气和其他一些地下生命重要分子的机制，但含氧分子的产生在很大程度上被忽视，因为这些分子在地下环境中被如此迅速地消耗。 到目前为止，还没有一项研究能够像这项研究一样将所有内容整合在一起。” 这项新研究着眼于加拿大阿尔伯塔省的深层含水层，该省地下焦油、油砂和碳氢化合物储量丰富，被称为“加拿大的德克萨斯州”。 由于其巨大的养牛业和农业产业严重依赖地下水，省政府积极监测水的酸度和化学成分。 然而，还没有人系统地研究过地下水微生物学。 对于现任美国🇺🇸马萨诸塞州伍兹霍尔海洋生物实验室的研究员 Emil Ruff 来说，2015 年他开始在卡尔加里大学进行微生物学博士后研究时，进行这样的调查似乎是“一个唾手可得的成果”。 他几乎不知道这项看似简单的研究会让他在接下来的六年里承受沉重的负担。  Emil Ruff 从艾伯塔省的 95 口井收集地下水后，拉夫和他的同事开始进行基本的显微镜检查：他们用核酸染料对地下水样本中的微生物细胞进行染色，并使用荧光显微镜对它们进行计数。 通过对样本中的有机物进行无线电测年并检查收集样本的深度，研究人员能够确定他们正在开采的地下水含水层的年龄。 这些数据的规律让他们感到困惑。 例如，通常在对海底沉积物的调查中，科学家发现微生物细胞的数量随着深度的增加而减少：较古老、较深的样本无法维持尽可能多的生命，因为它们与光合植物产生的营养物质的隔绝程度更高和靠近表面的藻类。 但令Ruff团队惊讶的是：较古老、较深的地下水比较新鲜的水域含有更多的细胞。 然后研究人员开始识别样本中的微生物，使用分子工具来发现它们的标记基因。 其中很多是产甲烷古菌——简单的单细胞微生物，在消耗从岩石或腐烂的有机物中渗出的氢和碳后产生甲烷。 还存在许多以甲烷或水中矿物质为食的细菌。 然而，没有道理的是，许多细菌是需氧微生物——需要氧气来消化甲烷和其他化合物的微生物。 由于光合作用是不可能的，需氧微生物如何在没有氧气的地下水中繁衍生息？ 但化学分析发现，200米深的地下水样本中也含有大量溶解氧。 这是闻所未闻的！Ruff 第一反应是认为他肯定搞砸了样品，确信样本受到了污染。 他首先试图证明样品中的溶解氧是处理不当的结果。 这就像夏洛克·福尔摩斯一样，试图找到证据和迹象来反驳你的假设。 然而，数百个样品的溶解氧含量似乎一致。 处理不当无法解释这一点。 如果溶解氧不是来自污染，那么它是从哪里来的呢？Ruff意识到他正处于大事的边缘，尽管提出有争议的主张违背了他的本性。 他的许多合著者也心存疑虑：这一发现可能会动摇我们对地下生态系统理解的基础。 理论上，地下水中的溶解氧可能源自植物、微生物或地质过程。 为了找到答案，研究人员求助于质谱分析法，这是一种可以测量原子同位素质量的技术。 通常，来自地质来源的氧原子比来自生物来源的氧原子重。 地下水中的氧气很轻，这意味着它一定来自生物体。 最有可能的候选者是微生物。 研究人员对地下水中整个微生物群落的基因组进行了测序，并追踪了最有可能产生氧气的生化途径和反应。 答案一直指向卡尔加里大学（University of Calgary）的Marc Strous十多年前的一项发现，他是这项新研究的资深作者，也是Ruff工作的实验室的负责人。 2000 年代末，Strous在荷兰的一个实验室工作时注意到，湖泊沉积物和废水污泥中常见的一种以甲烷为食的细菌有着奇怪的生活方式。 这些细菌不像其他需氧菌那样从周围环境中吸收氧气，而是通过使用酶分解称为亚硝酸盐的可溶性化合物来产生自己的氧气。 细菌利用自身产生的氧气来分解甲烷以获取能量。 当微生物以这种方式分解化合物时，称为歧化（dismutation）。 以前，人们认为这种产生氧气的方法在自然界中很少见。 然而，最近涉及人造微生物群落的实验室实验表明，歧化产生的氧气可以从细胞中泄漏到周围介质中，从而以一种共生过程的方式造福于其他依赖氧气的生物体。 Ruff认为，这可能是整个需氧微生物群落在地下水中繁衍生息的原因，也可能在周围的土壤中繁盛。 这一发现填补了我们对巨大地下生物圈如何演化以及歧化如何促进化合物在全球环境中循环的理解的一个关键空白。 地下水中存在氧气的可能性改变了我们对地下过去、现在和未来的理解。 了解地球地下的生物对于将这些知识转化到其他地方也至关重要。 例如，火星的土壤含有高氯酸盐化合物，一些地球微生物可以将其转化为氯化物和氧气。 木星的卫星欧罗巴有一片深邃、冰冻的海洋。 阳光可能无法穿透它，但氧气可能通过微生物歧化而不是光合作用产生。 科学家观察到土星卫星之一土卫二表面喷出水蒸气羽流。 这些羽流可能源自地下液态水海洋。 如果有一天我们在类似的其他星球上发现生命，它可能会利用歧化途径生存。 在深海海底岩石中，生命在没有太阳的情况下繁衍生息“僵尸”微生物重新定义了生命的能量极限。现在，在我们的脚下，也隐藏着重新定义生命的能量极限的生命世界！ 不管歧变在宇宙的其他地方有多么重要，这些新发现在多大程度上违背了关于生命需求的先入为主的观念，以及它们揭示了地球上最大的生物圈之一的科学无知感到惊讶。 |
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